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        軟巖高邊坡穩(wěn)定性及影響因素?cái)?shù)值模擬研究

        2024-12-10 00:00:00耿青
        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬影響因素穩(wěn)定性

        摘 要:為研究軟巖高邊坡的穩(wěn)定性及影響因素,本文以某軟巖高邊坡為研究對(duì)象,基于ABAQUS有限元軟件,分析邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明,黏聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定;內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減?。黄露葘?duì)邊坡穩(wěn)定性的減小效果隨坡度的增大逐漸降低;增大黏聚力,增大內(nèi)摩擦角,減小坡度,邊坡的安全系數(shù)越大,且彈性模量對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響遠(yuǎn)小于其他3個(gè)因素。

        關(guān)鍵詞:軟巖高邊坡;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性;影響因素

        中圖分類號(hào):" U 416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對(duì)軟巖高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究,劉新喜等[1]建立了飽和與非飽和滲流有限元模型,研究了不同降雨強(qiáng)度、持時(shí)和壓實(shí)度等條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律;李海洲等[2]基于FLAC3D有限元軟件,結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),研究了砂質(zhì)泥巖弱層強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;何忠明等[3]基于FLAC3D有限元軟件,分析了軟巖高邊坡開挖施工過程中變形、安全系數(shù)的變化規(guī)律;蔣中明等[4]基于滲流場(chǎng)的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律對(duì)FLAC3D單元強(qiáng)度時(shí)間效應(yīng)和重度變化的空間分布特性進(jìn)行了修改,研究了軟化-滲流耦合作用下軟巖高邊坡的穩(wěn)定性變化;姚文敏等[5]基于FLAC3D強(qiáng)度折減法,研究了巖層傾角、巖層與邊坡走向夾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并歸納了軟硬互層邊坡的破壞模式。綜上所述,軟巖高邊坡極易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,不同土體邊坡穩(wěn)定性差異也十分明顯,因此研究不同土體邊坡穩(wěn)定性對(duì)不同因素的敏感性尤為重要;基于ABAQUS強(qiáng)度折減法,針對(duì)西南軟巖高邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究較少。

        鑒于此,本文以某軟巖高邊坡為研究對(duì)象,基于ABAQUS有限元軟件,分析邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,為邊坡安全評(píng)價(jià)及加固提供科學(xué)依據(jù)。

        1 工程概況

        本文以某軟巖高邊坡為研究對(duì)象,該區(qū)域?yàn)閬啛釒О霛駶?rùn)氣候區(qū),平均溫度常年為11℃~18℃,年日照時(shí)間為2000h~2600h,年降水量900mm~1200mm,降雨集中在5—10月。區(qū)域范圍內(nèi)地形起伏較大,存在眾多高邊坡,對(duì)坡下居民生命安全造成極大的安全隱患。

        2 數(shù)值模型的建立

        本文通過強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù),ABAQUS通過控制材料參數(shù)變化來模擬巖土體黏聚力、內(nèi)摩擦角的折減,一般認(rèn)為模型位移突變時(shí)刻模型失穩(wěn),發(fā)生破壞。將材料參數(shù)變化與模型位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件自帶的combine函數(shù),從而得到模型的安全系數(shù)。

        本文以某軟巖高邊坡為研究對(duì)象,基于ABAQUS有限元軟件,建立邊坡數(shù)值模型,如圖1所示。

        由圖1可知,邊坡高為30m,底面長(zhǎng)為50m,頂面長(zhǎng)為20m,坡腳高為10m,坡度為45°,模型結(jié)構(gòu)具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        該邊坡主要由泥巖組成,通過查閱資料,將邊坡初始彈性模量設(shè)置為350MPa,泊松比設(shè)置為0.25,容重設(shè)置為25kN/m3,黏聚力設(shè)置為40kPa,內(nèi)摩擦角設(shè)置為25°。

        3 結(jié)果分析

        現(xiàn)有研究表明邊坡土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量均會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此本文研究不同黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量條件下泥巖邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。

        3.1 黏聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

        為研究不同黏聚力條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,設(shè)置4種黏聚力梯度:35kPa、40kPa、45kPa、50kPa。通過計(jì)算得到模型黏聚力折減過程中邊坡的位移,最后通過combine函數(shù)計(jì)算該折減系數(shù)下的邊坡安全系數(shù)。不同黏聚力條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖2所示。

        由圖2可知,在強(qiáng)度折減過程中,隨著折減系數(shù)增大,邊坡安全系數(shù)逐漸增大,邊坡位移先保持穩(wěn)定后發(fā)生位移突增現(xiàn)象。4種黏聚力在強(qiáng)度折減過程中發(fā)生位移突變點(diǎn)不同,將位移突變點(diǎn)橫坐標(biāo)作為該黏聚力條件下邊坡安全系數(shù)。不同黏聚力對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如圖3所示。

        由圖3可知,邊坡安全系數(shù)隨黏聚力增大逐漸增大,黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.393、1.421、1.503、1.558。與粘聚力為35kPa相比,邊坡安全系數(shù)增量分別為0.031、0.11、0.165,分別增大了2.23%、7.9%、11.84%。增大黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為2.23%/5kPa(40kPa)、3.95%/5kPa(45kPa)、3.95%/5kPa(50kPa),說明黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定。

        3.2 內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

        為研究不同內(nèi)摩擦角條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,設(shè)置4種內(nèi)摩擦角梯度:20°、25°、30°、35°。得到不同內(nèi)摩擦角條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖4所示。

        由圖4可知,4種內(nèi)摩擦角在強(qiáng)度折減過程中發(fā)生位移突變點(diǎn)不同,將位移突變點(diǎn)橫坐標(biāo)作為該內(nèi)摩擦角條件下邊坡安全系數(shù)。不同內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如圖5所示。

        由圖5可知,邊坡安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的增大逐漸增大,內(nèi)摩擦角為20°、25°、30°、35°對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.356、1.421、1.552、1.644。與內(nèi)摩擦角為20°相比,邊坡安全系數(shù)增量分別為0.065、0.196、0.288,分別增大了4.79%、14.45%、21.24%。內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為4.79%/5°(25°)、7.23%/5°(30°)、7.08%/5kPa(35°),說明內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減小。

        3.3 坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

        為研究不同坡度條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,設(shè)置4種坡度梯度:35°、45°、55°、65°。得到不同坡度條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖6所示。

        由圖6可知,4種坡度在強(qiáng)度折減過程中發(fā)生位移突變點(diǎn)不同,將位移突變點(diǎn)橫坐標(biāo)作為該坡度條件下邊坡安全系數(shù)。不同坡度對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如圖7所示。

        由圖7可知,邊坡安全系數(shù)隨坡度的增大逐漸減小,坡度為35°、45°、55°、65°對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為:1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比,邊坡安全系數(shù)減小量分別為0.364、0.51、0.694,分別增大了20.39%、28.57%、38.88%。坡度對(duì)邊坡安全系數(shù)的減小效果分別為20.39%/10°(45°)、14.29%/10°(55°)、12.96%/10°(65°),說明坡度對(duì)邊坡安全系數(shù)的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。

        3.4 彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

        為研究不同彈性模量條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,設(shè)置4種彈性模量梯度:300MPa、350MPa、400MPa、450MPa。得到不同彈性模量條件下邊坡位移-安全系數(shù)曲線如圖8所示。

        由圖8可知,4種彈性模量在強(qiáng)度折減過程中發(fā)生位移突變點(diǎn)基本一致,將位移突變點(diǎn)橫坐標(biāo)作為該彈性模量條件下邊坡安全系數(shù)。對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)均為1.421,說明彈性模量對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響較小。

        綜上所述,黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度及彈性模量均會(huì)對(duì)泥巖邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生影響。但4種因素對(duì)泥巖邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律存在差異,黏聚力、內(nèi)摩擦角與泥巖邊坡安全系數(shù)呈正相關(guān),邊坡坡度與泥巖邊坡安全系數(shù)呈負(fù)相關(guān),彈性模量對(duì)泥巖邊坡安全系數(shù)的影響較小。

        4 結(jié)論

        本文以某軟巖高邊坡為研究對(duì)象,基于ABAQUS有限元軟件,分析邊坡穩(wěn)定性,并研究邊坡土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡度、彈性模量等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,得到以下主要結(jié)論。1)增大黏聚力,增大內(nèi)摩擦角,減小坡度,泥巖邊坡的安全系數(shù)越大;改變邊坡彈性模量,泥巖邊坡安全系數(shù)基本不發(fā)生變化。2)黏聚力35kPa、40kPa、45kPa、50kPa對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.393、1.421、1.503、1.558;與黏聚力為35kPa相比,黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為2.23%/5kPa(40kPa)、3.95%/5kPa(45kPa)、3.95%/5kPa(50kPa);黏聚力對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果隨黏聚力的增大先增大后趨于穩(wěn)定。3)內(nèi)摩擦角為20°、25°、30°、35°對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.356、1.421、1.552、1.644;與內(nèi)摩擦角為20°相比,內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為4.79%/5°(25°)、7.23%/5°(30°)、7.08%/5kPa(35°),內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的增大效果隨內(nèi)摩擦角的增大先增大后減小。4)坡度為35°、45°、55°、65°對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.785、1.421、1.275、1.091。與坡度為35°相比,坡度對(duì)邊坡安全系數(shù)的減小效果分別為20.39%/10°(45°)、14.29%/10°(55°)、12.96%/10°(65°),坡度對(duì)邊坡安全系數(shù)的減小效果隨坡度的增大逐漸降低。5)彈性模量為300MPa、350MPa、400MPa、450MPa對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)均為1.421,說明彈性模量對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響較小。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉新喜,夏元友,蔡俊杰,等.降雨入滲下強(qiáng)風(fēng)化軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué),2007,(8):1705-1709.

        [2]李海洲,楊天鴻,夏冬,等.基于軟巖流變特性的邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(2):293-296.

        [3]何忠明,吳維,付宏淵,等.基于應(yīng)變軟化模型的軟巖高邊坡過程穩(wěn)定性研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,44(3):1203-1208.

        [4]蔣中明,曾鈴,付宏淵,等.極端久雨條件下軟巖邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2014,27(2):27-34.

        [5]姚文敏,胡斌,余海兵,等.三維軟硬互層邊坡的破壞模式與穩(wěn)定性研究[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2017,39(2):182-189.

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